Tiểu luân xây dựng mô hình chống sạt lở bờ biển

Đề tài: Xây Dựng Mô Hình Chống Sạt Lở Bờ BiểnLỜI MỞ ĐẦU Hiện tượng sạt lở bờ sông, đường bờ ven biển ngày càng được xem là một hiểm hoạ đe doạ đời sống và sự phát triển bền vững của xãhộ

Đề tài: Xây Dựng Mô Hình Chống Sạt Lở Bờ Biển

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện tượng sạt lở bờ sông, đường bờ ven biển ngày càng được xem

là một hiểm hoạ đe doạ đời sống và sự phát triển bền vững của xãhội, không những chỉ xảy ra ở các ĐT - KDC Châu Á - một châu lụcđược coi là nằm trong vùng có rủi ro vào loại lớn trên thế giới màcòn xảy ra ở khắp các châu lục khác

Việt Nam với hệ thống sông rạch dày đặc, đường bờ ven biển hàngngàn km, hiện tượng sạt lở bờ sông, bờ biển đã xảy ra nghiêm trọng Tuy nhiên, do đặc điểm địa lý, địa chất, thuỷ văn ở mỗi vùngBắc - Trung - Nam không giống nhau nên việc ứng dụng phươngpháp dự báo, giải pháp phòng chống sạt lở bờ sông và biển tại các

ĐT - KDC, ngoài các quy luật chung lại có những đặc điểm riêng Cần thiết phải soạn thảo một Quy phạm hay Tiêu chuẩn riêng dùngcho công tác quy hoạch, xây dựng các ĐT - KDC ven sông, ven biểnchịu tác động của quá trình diễn biến lòng dẫn và đường bờ venbiển

Để công trình chống sạt lở phát huy tác dụng, cần thiết phải tổ chứcmột cơ quan quản lý công trình chống sạt lở trực thuộc các cấpchính quyền địa phương

Trước tình đó và được sự giúp sự giúp đỡ của GsTS.KH Lê Huy BáTôi đã chọn đề tài “ Xây Dựng Mô Hình Chống Sạt Lở Bờ Biển”

VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN: XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT

nhằm một phần nào đó giúp cho mọi người có thêm những kiến thức

về sạt lở bờ biển như: nguyên nhân, cơ chế, mô hình,giải pháp… để

áp dụng từ đó đưa ra những biện pháp cụ thể cho từng vùng

MỤC LỤC

Lời nói đầu 4

Nội dung 4

A Tổng quan về sạt lở bờ biển nước ta 4

B Xây dựng mô hình chống sạt lở 7

1.Giới thiệu 7

2 Các mô hình kết hợp 8

3 Áp dụng tính toán 10

4 Kết luận 16

C Ứng dụng mô hình để đưa ra những giải pháp cụ thể cho từng vùng 17

1 Công nghệ cứng 17

2 Công nghệ mềm 17

3 Biện pháp phổ biến 20

Tài liệu tham khảo 21

NỘI DUNG A.TỔNG QUAN VỀ SẠT LỞ BỜ BIỂN Ở NƯỚC TA:

Nước ta có bờ biển dài trên 3.260 km, với 144 cửa sông lớn nhỏ Dân số các huyện ven biển chiếm 24% dân số cả nước và có nhiều cơ sở kinh tế quan trọng Tuy nhiên, các vùng ven biển lại luôn phải hứng chịu nhiều thiên tai như bão, lũ, triều cường gây xói lở bờ biển, bồi lấp cửa sông, phá huỷ nhiều công trình dân sinh kinh tế ven bờ, gây khó khăn cho các hoạt động sản xuất, an ninh quốc phòng, phát triển kinh tế của đất nước và đời sống của những người dân ven biển Hàng năm xói lở ở vùng ven biển đã làm mất hàng trăm ha đất; chỉ tính riêng vùng ven biển Trung Bộ mỗi năm mất gần 390ha đất

Hiện nay, chúng ta đang sử dụng công nghệ mô hình toán,giám sát, thống kê trong việc dự báo xói lở bờ biển Bên cạnh đó,còn rất nhiều các công trình nghiên cứu đề tài cấp Nhà nước ở nhiềugóc độ khác nhau, từ tìm hiểu hiện trạng, nguyên nhân, hậu quả xem

nó như là một loại tai biến thiên nhiên, từ đó đưa ra các giải phápgiảm thiểu

Có 3 yếu tố chính ảnh hưởng đến việc xói, lở bờ biển: thứ nhất

là yếu tố nội sinh, thứ hai là ngoại sinh và thứ ba là yếu tố conngười Tuy nhiên, để đầu tư cho việc này phải xem xét cụ thể bởi chiphí rất lớn Cụ thể, để chống xói lở bờ biển tại cảng Dung Quất phảidùng đến 8 viên đá Terpot (đá phá sóng), 1 viên đá có giáthànhlà120triệu

- Trước hết chúng ta hiểu nguồn nhân lực nghiên cứu biển làmảng rất rộng, trong đó nguồn nhân lực cho công tác chống xói lở làmột trong những việc làm cần thiết Có thể nói, trước đây chúng tachỉ tập trung vào việc thuỷ lợi trong nội địa là chính Về hải dươnghọc, về biển và bờ biển còn hạn chế, chưa mang tính cấp thiết Bêncạnh đó, hầu hết những người làm công việc chống sạt lở vùng venbiển hiện nay đều xuất phát từ những ngành khác, thường làm theo

kinh nghiệm là chính, chưa có hệ thống đào tạo chính quy dẫn đến

Trước những thách thức và khó khăn như vậy, vào năm 2000Chính phủ đã hợp tác với Hà Lan thực hiện dự án đào tạo ngành kỹthuật bờ biển Hiện trường ĐH Thuỷ lợi là cơ sở đầu tiên đào tạochính quy ngành kỹ thuật bờ biển Năm 2008, 50 kỹ sư ngành kỹthuật bờ biển khoá đầu tiên được ra trường Dự kiến năm 2009 sẽ

mở rộng để đào tạo một số chuyên ngành liên quan biển, khắc phụctình trạng thiếu nguồn lực như hiện nay

-Phòng chống xói lở bờ biển cần được tiến hành đồng bộ và toàn diện các giải pháp Cần ưu tiên các giải pháp công trình kết hợp nhiều lợi ích, chú trọng kết hợp phòng chống xói lở với chỉnh trị xa bờ Áp dụng các giải pháp hiện đại của thế giới, đồng thời xây dựng các giải pháp phù hợp với điều kiện nước ta Xây dựng các giải pháp công trình cho từng của sông, tuyến luồng và từng đoạn bờ cụ thể, kè lát mái

bê tông, kè phá sóng sau đó tổng kết thành mô hình Thành lập mạng lưới quan trắc, giám sát tai biến bồi, xói lở định kỳ trên cơ sở phối hợp giữa các cơ quan khoa học Trung ương và các đơn vị kỹ thuật địa phương Bên cạnh đó, cần có một

chương trình đào tạo ngắn, bổ sung kiến thức cho những người làm công tác phòng, chống thiên tai, chống xói lở các tỉnh ven biển Đây là việc làm cần thiết, chúng ta

có thể thực hiện ngay được

Việc khắc phục bồi lấp ở cửa sông hiện nay đang là việc cực kỳ khó khăn và tốn kém, đặc biệt là các cửa sông miền Trung Nguyên nhân chính của việc này là do chúng ta khai thác trên lưu vực như xây dựng các hồ chứa, chặt phá rừng trên

thượng nguồn dẫn tới không có dòng chảy, không có bùn cát về các cửa sông, biến đổi theo mùa, mùa kiệt thì gây bồi, mùa lũ thì xói tại các cửa sông Bộ NN và PTNT đang phối hợp với một số chuyên gia nước ngoài nghiên cứu tìm giải pháp khắc phục Tuy nhiên, kinh phí để thực hiện việc này cũng rất tốn kém, để điều chỉnh cho một cửa sông phải mất đến hàng nghìn tỷ (120 tỷ đồng/1km cho việc làm đê kè) Do

vậy, phải xem xét sao cho phù hợp về mặt kinh tế, xã hội chứ không phải thấy bồi,

lở là chúng ta bỏ tiền vào đầu tư

Cụ thể là ở huyện Lộc Hà:

Biển "ngoạm" đất liền

Tại vùng ven biển huyện Lộc

Hà (Hà Tĩnh) đang xảy ra hiệntượng biển xâm thực bất

thường, cuốn trôi nhiều tài sảncủa nhân dân ven biển Tình trạng này kéo dài từ tháng 5 tới nay Bình thường tại đây triều cường chỉ xảy ra vào tháng 10 âm lịch hàng năm, nhưng trong tháng 5 và nhữngngày đầu tháng 6 nước biển lấn sâu vào đất liền khoảng 20m Hai năm nay biển xâm thực mạnh, mỗi năm từ 20 đến30m, cuốn trôi hàng ha rừng phi lao phòng hộ Tại xã Thạch Bằng biển cũng xâm thực mạnh, cuốn trôi nhiều hàng quán, tường bao của các

hộ kinh doanh phục vụ ăn uống xây dựng ven biển Đầu năm nay, một đoạn đất liền dài gần 1km dọc bờ biển Nam Ôthuộc phường Hòa Hiệp Nam, quận Liên Chiểu (Đà Nẵng) bị biểnxâm thực gần 200m Một số ngôi nhà bị xói lở đánh bật cả móng và

đổ tường nhà xuống biển Nhiều gia đình đã phải đi nơi khác trước

sự tàn phá của sóng biển Nhưng vẫn còn nhiều gia đình liều bámtrụ lại đây Gần 300m đất liền dọc đường Sơn Trà - Điện Ngọc(phường Phước Mỹ, quận Sơn Trà) cũng bị biển xâm thực đánh bậtgốc những trụ điện

Thời gian gần đây, bờ biển Bình Thuận với tổng chiều dài khoảng

190 ki lô mét, nhiều nơi đang phải đối mặt với nạn triều cường xâmthực Nhiều bãi biển đẹp như Phan Rí Cửa, Mũi Né, La Gi đã bịnước biển xâm lấn sâu vào trong đất liền hàng chục mét, gây cản trở

lớn đến đời sống ngư dân và hoạt động của các doanh nghiệp dulịch trên địa bàn tỉnh.

Năm trước, cũng khoảng thời gian này, bãi cát trải dài và rừng dừaven biển thành phố biển Phan Thiết (Bình Thuận) đứng trước nguy

cơ bị phá vỡ cảnh quan khi phải chịu liên tiếp những đợt triềucường xâm thực Một số nhà dân ven biển đứng trước nguy cơ bịsạt lở, vùng dừa lớn nhất của phường Hàm Tiến cũng phập phồng

sợ sóng cuốn trôi

Do bờ biển Hàm Tiến có kết cấu địa chất là cát, không có đá ngầmnên giải pháp kè mềm bằng vật liệu địa kỹ thuật đã được chọn đểbảo vệ bờ biển du lịch

Theo Sở TN&MT tỉnh Bình Thuận, hiện tượng xâm thực ngày mộtảnh hưởng nghiêm trọng đến tình hình kinh doanh ngành du lịch vàmôi trường biển của địa phương Trước đó, tỉnh đã quyết định lắpđặt hệ thống kè mềm chắn sóng tại bãi biển Đồi Dương (PhanThiết) để chống hiện tượng xâm thực Hệ thống kè mềm có tổngvốn đầu tư khoảng 26 tỉ đồng do Sở Nông nghiệp và Phát triển nôngthôn làm chủ đầu tư, được triển khai thí điểm tại khu vực biển PhanThiết theo chiều dài khoảng 1,6 km chạy dọc bờ biển từ Khách sạnNovotel đến Kè C1, cảng cá Phan Thiết

Nguyên liệu ở đây là những chiếc túi vải được sản xuất tại Hà Lan

và Thụy Điển, tuổi thọ khoảng 40 năm, chịu được mưa nắng vànước biển Những chiếc túi này được xếp dọc nối tiếp nhau theomép biển, cách bờ sạt lở chừng 20 mét Trong túi là cát bị lèn chặt.Túi cát này có khả năng ngăn không cho sóng biển đánh mạnh vào

bờ cát ven biển để hạn chế xói mòn

Theo đánh giá của một cán bộ Sở TN&MT tỉnh Bình Thuận, trướcđây, nhiều kè cứng đã được đầu tư chắn sóng nhưng vẫn bị đánhtrôi và phương án kè mềm thí điểm này bước đầu đã phát huy đượchiệu quả ngăn chặn tình trạng biển xâm thực

Tuy nhiên, không phải ở bờ biển nào, phương án kè mềm cũng khảthi Ở khu vực bờ biển Hòa Duân (Phú Thuận, Phú Vang, ThừaThiên - Huế), cuối năm ngoái, hệ thống mỏ hàn mềm Stabiplage(công nghệ chống xói lở và xâm thực bờ biển) chỉ sau một năm sửdụng đã bị sóng biển đập nát Công ty Espace Pur (Pháp), đơn vị thicông công trình xử lý khẩn cấp chống sạt lở bờ biển khu vực xã PhúThuận, cam kết bảo hành công trình hai năm, bảo vệ bờ biển an

toàn trong 40 năm Thế nhưng, chỉ sau một năm "đối diện" với sóngbiển, "thành trì" này đã bị dập tan tành.

Trở lại tình trạng nước biển xâm thực bất thường ở Hà Tĩnh, hiệntượng biển xâm thực này xảy ra đã vài năm nay và năm nay xảy ramạnh nhất Các cơ quan như khí tượng thủy văn, TN&MT, khoahọc công nghệ hiện chưa xác định được nguyên nhân biển xâm thựcbất thường Người dân sống ven biển Lộc Hà hiện đang lo lắng vàmong chờ các cơ quan chức năng có biện pháp ngăn chặn, nhất làkhi mùa mưa bão đang đến

Đây cũng là mối lo chung của những người dân ven biển khi mỗinăm lại có hàng nghìn mét đất nằm sát bờ biển bị "hà bá" cướp đi

B.XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SẠT LỞ BỜ BIỂN:

1.GIỚI THIỆU

Một trong những nguyên nhân gây sạt lở bờ biển là do tác động của sóng Sóng truyền từ miền nước sâu vào bờ Khi tiến gần bờ độ sâu của nước sẽ giảm làm cho chiều cao sóng tăng.Khi tăng đến một lúcnào đó song sẽ mất ổn định và sẽ vỡ ra Tại khu vực sóng vỡ, nước dao động mạnh tác động trực tiếp lên mái dốc bờ biển gây sạt lở

Để mô phỏng hiện tượng xói lở trong khuvực trong và ngoài sóng

vỡ đòi hỏi cần phảixác định các yếu tố sóng như chiều cao sóng,vị trí sóng vỡ, dòng chảy do sóng vỡ, ứng suấtdo sóng tác dụng trên đáy và từ đó xác định sựchuyển dịch bùn cát.Quá trình diễn biến xói

lở bờ biển là mộtqúa trình khá phức tạp nên đã cónhiều cáchtiếp cậnkhác nhau Trong nghiên cứu nầy, môhình hoá qúa trình xói lở

chỉxem xét trườnghợp sóng tác động thẳng góc với bờ là chính yếu

Mô hình hóa qúa trình thay đổi mái dốcbờ biển được kết hợp trên 3

mô hình cơ bảnnhư sau :

+ Mô hình sóng khu vực nước nông cóxét đến sự phi tuyến của hằng

số sóng do ảnhhưởng độ sâu nước nông

+ Mô hình chuyển tải bùn cát khi sóngvỡ và lúc chưa vỡ

+ Mô hình mô phỏng sự diễn biến đáy

Ba mô hình trên được áp dụng luân phiênđể mô phỏng sự tương tác giữa các yếu tố vớinhau Mô hình được đánh giá bằng việc tínhtoán diễn biến của một mô cát dưới tác độngcủa sóng và mô phỏng sự sạt

lở của một máidốc bờ biển dưới tác động của sóng trong phòng thí nghiệm

2.CÁC MÔ HÌNH KẾT HỢP :

2.1 Mô hình sóng :

Mô hình RefDif được phát triển bởi Kirbyvà Dalrymble (1994) được

sử dụng để môphỏng sự thay đổi chiều cao sóng và vị trí sóngvỡ trong khu nước nông Mô hình RefDif sửdụng phương trình truyền sóng trên mái dốc lài380(mild slope equation) của Berkhoff (1972) đãđược chuyển đổi dưới dạng parabol bởiKirby(1986) và số tán xạ sóng (disperson relation)phi tuyến theoHudges(1976).Với sự cải tiếnnầy mô hình cho phép xác định dược chiều caosóng khá chính xác trong vùng nước nông khichiều sâu nước khá nhỏ làm cho sóng khôngcòn là sóng tuyến tính nữa Các chi tiết về môhình RefDif cũng như các kiểm chứng mô hìnhcó thể xem trong [2], [4], [6], [7]

2.2 Mô hình chuyển tải bùn cát:

Sự vận chuyển bùn cát là yếu tố quantrọng cho sự thay đổi mái dốc

bờ biển Do cấutrúc dòng chảy trong khu vực sóng vỡ kháphức tạp, nên để xác định sự chuyển tải bùncát trong khu vực nầy nhiều mô hình vi mô đãđược nghiên cứu để xác định sức tải cát Cácmô hình tính tóan sức tải cát đã đượcMaruyama thống kê khá đầy đủ trong [5].Trong bài báo nầy sử dụng mô hình củaWatanabe (1986) để xác định sức tải cát trongvà ngòai vùng sóng vỡ Mô hình của

Watanabedựa khái niệm năng lượng (energetic concept)và chấp nhận rằng sức tải cát có thể được xácđịnh theo ứng suất đáy của sóng khi giá trị củanó vượt qua một giá trị phân giới nào đó

Sức tải cát tòan phần dưới tác dụng củasóng theo Watanabe và cải tiến bởi Horikawa(1988) có thể được mô tả như sau:

g

A F

δ uˆ : Vận tốc tại lớp biên sóng

Các thông số khác được xác định như sau:

- Thông số Aw :

w s

w w

F gd S S

W B A

w s

K F

với:

ks,w : Hệ số ma sát biểu kiến do sóng

δ Aˆ :Độ lệch của quỹ đạo sóng (bottom

peak orbital excursion),

Ứng suất đáy do sóng trung bình theo thời

gian được xác định theo Van Rijn (1989)

2 ,

- Ứng suất đáy phân giới do sóng (τcr)

Trong nghiên cứu của Van Rijn (1993), cáckết qủa thí nghiệm ứng suất phân giới củachuyển động sóng được so sánh với giá trị

củađường cong Shields cho thấy đường congShields cũng khá thích

hợp với chuyển độngsóng Do đó trong mô hình nầy sử dụng chỉtiêuphân giới của Shields để xác định ứng suấtđáy phân giới

L0 : Chiều dài sóng nước sâu

Kd : Hệ số kiểm sóat mức đệ thay đổi

sức tải cát quanh điểm không ( null point)

Πc :giá trị phân giới của Π tại điểm

nơi sức tải cát bằng không Giá trị của Πo cóthể lấy bằng 1 hoặc có thể xác định qua thửnghiệm của mô hình Khi Π nhỏ hơn Πo ( Fd

>0) dòng bùn cát di chuyển theo phương truyềnsóng và khi Π lớn hơn Πo thì dòng bùn cáttheo chiều nghịch lại

2.3 Mô hình diễn biến đáy:

Phương pháp sai phân hữu hạn được dùng đểgiải (8) Sơ đồ sai phântiến (upwind) hay saiphân lùi (backwind) được áp dụng tùy

theochiều chuyển tải bùn cát, do đó trong mô hìnhcó thể cần hoặc không cần điều kiện biên [4]

3 ÁP DỤNG TÍNH TÓAN:

Hai trường hợp tính tóan được áp dụng là(i) mô phỏng sự chyển dịch của một mô cátdưới ảnh hưởng của sóng và (ii) mô phỏng sựdiễn biến của một mái dốc bờ biển do tác độngcủa sóng thẳng góc Trường hợp tính tóan (i)dùng để kiểm tra sự tương tác hợp lý giữa cácmô hình và trường hợp tình tóan (ii) dùng đểđánh giá mức

độ chính xác của mô hình

3.1 Sự chuyển dịch của mô cát dứơi tác

dụng của sóng:

3.1.1 Mô tả miền tính toán:

Một mô cát có đường kính hạt d = 0,27mm có dạng là một phần của cung tròn cao 1m(hình 1) Mô cát đặt trong kênh chữ nhật cókích

thước 100m dài và rộng 9m (hình 2).Phương trình dạng mặt cong của mô cát theo biểu thức:

Dưới sự tác động ứng suất sóng, bùn cát sẽbị chuyển dịch Phương trình bảo toàn khốilượng cho :

y

b y s y y x

b x s x x

t

q q

z q q

o

o

o o

o o

o

o

a orX

a X h

2

2 2 2





h0 : chiều cao mô cát , h0 = 1 m

a0 : khoảng cách từ tâm đến mép mô

cát a0 = 10 m